В этой главе мы обсуждаем вопросы сверхгалактической космологии, теорию большого взрыва и доказательство расширяющейся Вселенной. Мы иллюстрируем здесь, как ученые строят свои теоретические модели, которые на самом деле вводят в заблуждение миллионы людей, наталкивающихся на эти теории в авторитетных книгах и в популярных изложениях. Тем не менее,мы показываем, что даже внутри узко определенной области астрофизики новые наблюдения могут вызывать у этих моделей фундаментальные проблемы и представлять их просто как систему умозрительных идей. В примере, который мы рассмотрим позже, эти фундаментальные проблемы обнаруживают требование радикального пересмотра современного понимания Вселенной в целом, тем более что это до сих пор не было серьезно сделано в научных кругах.

Мы начнем с теории большого взрыва. В своем основании эта теория предпологает, что в начале (или до начала, если хотите) вся материя во Вселенной была сконцентрирована внутри ничтожно малого объема бесконечно большой температуры и давления. Затем, согласно сценарию, она взорвалась с чудовищной силой. Этот взрыв породил перегретый ионизированный газ, или плазму. Эта плазма однородно расширялась, пока не остыла до такой степени, что превратилась в обычный газ. Внутри этого охлаждающегося облака расширяющегося газа сформировались галактики, и внутри галактик рождались поколения звезд. Затем вокруг звезд сформировались планеты, такие как наша Земля.

Но мало людей осознают такой факт, что даже из самых мощных телескопов невозможно реально увидеть движение галактик от нас. Картины, которые мы видим — неподвижны, и ученые не претендуют показать их видимое движение, даже если наблюдения будут продолжаться веками.

Итак, как же мы реально узнаем, расширяется ли Вселенная? Все что мы должны рассмотреть — это свет и другие сорта излучений, которые доходят до нас, пересекая области межзвездного пространства. Изображения формирующиеся из этих излучений, прямо не показывают расширения Вселенной, но тонкие особенности излучения убедили ученых, что это расширение имеет место. Ученые делают первое предположение, что земные законы физики применимы без изменения повсюду во Вселенной. Затем они пытаются понять, как процессы, подчиняющиеся этим законам, порождают наблюдаемый свет.

Чтобы понять, как ученые, используя этот путь для анализа света, делают вывод, что Вселенная расширяется, давайте заглянем в историю астрономии и астрофизики. Астрономы, наблюдая небеса, давно уже заметили, что вдобавок к отдельным звезадам и планетам на небе существовали много слабо светящихся тел. Они назвали их nebulae. Это латинское слово, означающее «облако» или «туманность». И позднее, с развитием их концепции, эти объекты назвали галактиками.

Большей по размеру, чем полная луна, и настолько тусклой, что еле видна невооруженным глазом, выглядит соседняя галактика Андромеда. В начале нашего века астрономы обратили мощные новые телескопы к этой и другим галактикам и обнаружили, что они представляют собой обширные острова из миллиардов звезд. На дальних расстояниях были обнаружены целые скопления галактик.

До открытия звезд в Андромеде думали, что все небесные тела расположены внутри границ нашей галактики Млечный Путь. Но в связи с развитием концепции и открытием других, более далеких, галактик все изменилось. Размеры Вселенной расширились за пределы понимания.

Вплоть до начала нашего века ученые полагали, что основные объекты во Вселенной неподвижны по отношению друг к другу. Затем в 1913 году американский астроном Весто Мельвин Слифер (Vesto Melvin Slipher) начал изучать спектры света, приходящего из десятка известных туманностей и заключил, что они движутся от земли со скоростями, достигающими миллионы миль в час.

Каким образом Слифер пришел к такому удивительному заключению? Обычно астрономы использовали спектрографический анализ для определения химических элементов, присутствующих в звездах. Было известно, что спектр света связан с определенными элементами, показывающими характерные образцы линий, которые служат своего рода визитной карточкой элемента.

Слифер заметил, что в спектрах галактик, которые он изучал, линии определенных элементов были смещены в направлении красного конца спектра. Это любопытное явление было названо «красным смещением». Слифер объяснил красное смещение эффектом Доплера, откуда можно сделать вывод, что галактики движутся от нас. Это был первый большой шаг к идее, что вся Вселенная расширяется. (Если бы линии в спектре сместились бы в направлении к голубому концу спектра, то это означало бы, что галактики движутся в направлении к наблюдателю.)

Эффект Доплера часто разъясняют, используя пример с гудком поезда, который меняет высоту звука, при движении поезда мимо нас. Это явление впервые научно изучалось в 1842 году австрийским физиком Христианом Джоанном Доплером (Christian Johann Doppler). Он предполагал, что интервалы между звуковыми волнами, излученными от объекта, движущегося в направлении к наблюдателю, сжимаясь, поднимают высоту тона звука. Подобным образом, интервалы между звуковыми волнами, достигающими наблюдателя от источника, движущегося от него, удлиняются, и, таким образом, высота звука понижается. Сообщалось, что Доплер проверял эту идею, поместив трубачей на железнодорожной платформе, приводимой в движение локомотивом. Музыканты с совершенным слухом внимательно слушали, когда мимо них проезжали трубачи, и они подтвердили анализ Доплера.

Доплер предсказал подобный эффект и для световых волн. Для света, увеличение в длине волны соответствует смещению в направлении к красному концу спектра. Поэтому спектральные линии объекта, перемещающегося от наблюдателя, должны сместиться к красному концу спектра. Слифер выбрал для интерпретации своего наблюдения галактик эффект Доплера. Он заметил красное смещение и решил, что галактики должны удалятся от нас.

Другой шаг, ведущий к убеждению в расширении Вселенной, был сделан в 1917 году, когда Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности. До Эйнштейна ученые всегда предполагали, что пространство простирается бесконечно по всем направлениям, и что геометрия пространства Эвклидова и трехмерна. Но Эйнштейн предположил, что пространство может иметь другую геометрию — четырехмерного искривленного замкнутого пространства-времени.

Согласно теории Эйнштейна существует множество форм, которые может принимать пространство. Одна из них — замкнутое пространство без границ, похожая на поверхность сферы; другая — отрицательно искривленное пространство, которое бесконечно простирается во всех направлениях.

Сам Эйнштейн думал, что Вселенная статична, и он приспособил свое уравнение для этого. Но почти в то же время, датский астроном Вильям де Ситтер (Willem de Sitter) нашел решение уравнения Эйнштейна, которое предсказывало быстрое расширение Вселенной. Такая геометрия пространства должна изменяться со временем.