Загадка красного смещения

Современной физике известно, что световые лучи и радиоволны имеют одинаковую природу. И те и другие— разновидности электромагнитных волн, распространяю­щихся с колоссальной скоростью в 300 000 км/сек. Но в то время как различные радиоволны имеют длину от де­сятых долей миллиметра до нескольких километров, дли­на световых волн очень мала и измеряется десятыми до­лями микрона то есть десятитысячными долями милли­метра.

Световые волны различной длины, воздействуя на глаз человека, вызывают у него ощущение разного цве­та. Так, волны с длиной в 0,4 мк вызывают ощущение фиолетового цвета, с длиной в 0,55 мк — желтого, а с длиной волны 0,7 мк — темно-красного цвета.

Смешанные между собой, примерно, в равной пропор­ции световые волны производят ощущение белого света. Но если луч белого света пропустить сквозь стеклянную трехгранную призму, то световые волны с различной дли­ной преломятся в ней по-разному, и их пути разойдутся. Из призмы выйдет уже не белый луч, а пучок разноцвет­ных лучей, расположенных в строгой последовательности увеличения длины волны, от фиолетового до темно-крас­ного включительно. Тогда на белом экране, поставленном на пути световых лучей, вышедших из призмы, получит­ся разноцветная, радужная полоска, называемая спект­ром. В зависимости от условий излучения света телом спектры имеют различный вид. Так, поверхности Солнца и звезд испускают непрерывный (сплошной) спектр. Но химические элементы, находящиеся в атмосферах этих тел, поглощают некоторые световые волны, а именно те, которые в иных условиях излучаются теми же химиче­скими элементами. Поэтому на фоне непрерывного спек­тра образуются тонкие темные линии, называемые линиями поглощения, и сам спектр получает название спектра поглощения (рис. 1).

Рис. 1. Спектр поглощения

Каждая линия поглощения имеет строго определен­ную длину волны и в соответствии с ней занимает свое место в спектре, что позволяет определять химический состав атмосфер Солнца и звезд. Но если звезда дви­жется по лучу зрения наблюдателя, то есть удаляется от нас или приближается к нам, то линии поглощения в спектре звезды несколько смещаются со своих обычных (нормальных) мест. При удалении звезды линии погло­щения смещаются в сторону красного конца спектра, а при приближении звезды — в сторону фиолетового его конца. Это смещение обнаруживается и измеряется при сопоставлении спектров звезд со спектрами химических элементов, полученными в лабораториях.

Согласно принципу, сформулированному в 1842 г. австрийским ученым X. Доплером (1803—1853), величи­на смещения спектральных линий пропорциональна ско­рости удаления или приближения светила. Поэтому, из­меряя величину смещения линий поглощения в спектрах звезд и галактик, можно вычислить скорость их движе­ния по лучу зрения. Эта скорость получила название лучевой скорости. При удалении светила его лучевая ско­рость положительна (расстояние до светила увеличи­вается), а при приближении — лучевая скорость отрица­тельна (расстояние до светила уменьшается).

В настоящее время лучевые скорости измерены у мно­гих тысяч звезд. Астрономы давно привыкли к тому, что величина смещения линий поглощения в спектрах звезд бывает очень малой и соответствует лучевой скорости в несколько десятков километров в секунду, редко 100— 150 км/сек.

Вскоре после того как в 1912 г. был установлен боль­шой, 1,5 м зеркальный телескоп на астрономической обсерватории на горе Вильсон в США, астрономы нача­ли фотографировать спектры галактик и по ним опреде­лять их лучевые скорости. И тутсразу же выяснилось, что лучевые скорости галактик резко отличаются по своей величине от лучевых скоростей звезд. Они измеряются не десятками, а сотнями и тысячами километров в се­кунду. Если не считать мира микрочастиц (электронов, протонов и др.), наука еще не знает других тел, обладаю­щих столь большими скоростями. Так была обнаружена первая важная особенность лучевых скоростей галак­тик— их большая величина.

Вторая, не менее важная, особенность лучевых скоро­стей галактик обнаружилась вскоре после того, как были вычислены лучевые скорости многих галактик. Оказа­лось, что за исключением очень небольшого числа срав­нительно близких галактик, в спектрах остальных галак­тик линии поглощения сдвинуты к красному концу, то есть практически все галактики имеют положительные лучевые скорости. Это приводит к неожиданному выводу о том, что все галактики, за малым исключением, уда­ляются от нас. Но наша Земля и даже вся наша Галакти­ка в целом — это ничем не примечательная точка в бес­конечной Вселенной. Почему же галактики, каждая из которых представляет огромную звездную систему, подобную нашей Галактике, должны разлетаться от нее во все стороны, точно осколки разорвавшегося сна­ряда?

Это загадочное явление, получившее название красно­го смещения, сразу же привлекло к себе пристальное вни­мание не только астрономов, но и физиков, и философов. Однако шло время, а загадка красного смещения в спек­трах галактик, вместо того чтобы разъясняться, стано­вилась все более непонятной. По мере накопления все большего числа измеренных лучевых скоростей слабых галактик выяснилось, что те немногие галактики, в спек­трах которых красное смещение не наблюдается, при­надлежат к числу ближайших к нашей Галактике сосе­дей. Остальные галактики без всякого исключения имеют положительные скорости. При этом, чем дальше галакти­ка от нас, тем больше у нее красное смещение. Для наи­более удаленных галактик лучевые скорости измеряются уже не тысячами, а многими десятками тысяч километ­ров в секунду.

Более подробное исследование скоростей галактик привело уже известного нам американского астронома Хабла в 1930 г. к открытию третьей важной особенности лучевых скоростей галактик. Оказалось, что лучевые ско­рости галактик увеличиваются строго пропорционально расстоянию до них: с увеличением расстояния на 1 млн. пс (1 мпс) лучевая скорость увеличивается примерно на 100 км/сек. Это явление часто называется законом крас­ного смещения.

Закон красного смещения включает в себя все три перечисленные особенности лучевых скоростей галактик: их положительный знак, пропорциональный рост с увели­чением расстояния и их большую величину, поскольку расстояния до галактик очень велики.

Закон красного смещения лишь описывает наблюдае­мые особенности лучевых скоростей галактик, но не дает им никакого объяснения. Наоборот, он требует сам объ­яснения. Учеными СССР и других стран много сделано для выяснения путей подхода к решению этой интерес­ной задачи. Но пока в этой проблеме остается много не­ясного. Не случайно ее нередко называют загадкой крас­ного смещения. В настоящее время можно только выска­зать ряд гипотез о природе красного смещения и даль­нейшие исследования направлять на накопление новых фактов, относящихся к движениям галактик, которые в свое время помогут проверить каждую из этих гипотез и сделать окончательные выводы. Как мы сейчас увидим, в настоящее время у нас еще нет достаточных данных для таких выводов.

В астрономии, науке, тесно связанной с проблемами мировоззрения, нередко случалось, что при открытии какого-нибудь нового явления, временно не поддающего­ся научному объяснению из-за недостатка необходимых сведений, вокруг него поднималась нездоровая шумиха. За кулисами ее всегда стоят круги, ставящие веру в гос­пода бога выше научной истины. Так случилось и с за­гадкой красного смещения. На Западе появилась обшир­ная литература, посвященная этому вопросу. И как это ни печально, авторами книг и статей, освещающих проблему с ложных позиций, были некоторые видные астрономы и физики Западной Европы и Америки.

Правильное и оконча­тельное научное решение рассматриваемой пробле­мы пока еще, естественно, встречается с некоторыми трудностями, как, впро­чем, всегда и бывает в науке в начале изучения новых сложных явлений. Основная трудность ре­шения загадки красного смещения состоит в том, чтобы правильно объяс­нить происхождение боль­ших лучевых скоростей га­лактик. Самая большая лучевая скорость, которую удалось до сих пор изме­рить, равна около 140 000 км/сек, то есть почти 50% от скорости света, которая в совре­менной физике считается максимальным пределом скорости материи.

Смещение линий в спектрах звезд очень ма­ло и доступно измерению лишь при помощи точней­ших приборов. Простым глазом оно едва заметно в спектрах звезд, облада­ющих лучевыми скоростя­ми в 100 км/сек и больше.

Совсем иное наблюдается в спектрах галактик. Прав­да, в них видно не так много линий, как в спектрах звезд, и сами линии, как правило, не четки. Наиболее от­четливы и резки только две близкие друг другу линии в синей части спектра, вызванные поглощением света иони­зованным кальцием. Эти линии всегда обозначаются бук­вами Н и К.

Как уже отмечалось выше, в настоящее время закон красного смещения проверен до скоростей около 140 000 км/сек. Эти скорости кажутся невообразимо боль­шими. Однако расчеты показывают, что скорости тел в космосе зависят от размеров и массы той системы, к ко­торой принадлежат тела. Звезды, находящиеся внутри галактик, обладают скоростями в десятки и реже сотни километров в секунду. Если же считать, что сами галак­тики входят в состав грандиозной системы галактик, называемой Метагалактикой, то их скорости должны достигать нескольких десятков тысяч километров в се­кунду.

Совершенно по-иному рассматривают красное смеще­ние некоторые представители западной науки. Сущест­вующие на Западе теории красного смещения — яркий пример неправильных, антинаучных выводов, базирую­щихся на идеалистической философии. Ученые, пытаю­щиеся примирить наблюдения с идеалистической философией, не только приходят к антинаучным выводам, но часто не замечают очень важных фактов, которые при правильном материалистическом подходе к оценке явле­ний могли бы помочь решению проблемы.

«Теории», создаваемые на Западе для объяснения красного смещения, можно, в основном, разделить на две группы: одну, распространяемую главным образом в Соединенных Штатах Америки, можно образно назвать «катастрофической теорией», а вторую, распространяе­мую в Западной Европе, и особенно в Англии, — «тео­рией непрерывного творения». Обе они принципиально неприемлемы, так как фактически проповедуют участие сверхъестественных сил в явлениях природы. Однако, если их очистить от антинаучных домыслов, то из них можно извлечь кое-что полезное. Именно по этому пути идут ученые СССР и стран социалистического лагеря. Мы не можем изложить здесь подробно этих теорий, но все же вкратце остановимся на их сущности.

В «катастрофической теории» делается предположе­ние о том, что все галактики в прошлом двигались с теми же скоростями, что и в настоящее время. Поскольку га­лактики сейчас разлетаются в разные стороны и их ско­рости пропорциональны пройденному расстоянию, полу­чается, что в прошлом был такой момент, когда все га­лактики находились в одной единственной точке миро­вого пространства. Это было около 4 млрд, лет назад. По предложению католического аббата, профессора одного из университетов в Бельгии Леметра, этот момент объяв­ляется моментом сотворения мира. Утверждается, что до этого все галактики входили в состав одного-единственного первичного «атома», который обладал поистине чу­десными свойствами: в нем одном, в зародышевой фор­ме, содержалась вся Вселенная, со всем бесконечным многообразием форм материи и движения. Целую веч­ность этот «атом» оставался неизменным. Но затем ка­кой-то внешний нематериальный толчок привел к гран­диозному катастрофическому взрыву «атома», в резуль­тате которого его осколки понеслись во все стороны, и из них впоследствии образовались звезды и галактики, словом вся Вселенная. Не приходится и говорить о том, что такая картина прекрасно согласуется с библейскими легендами о сотворении мира богом. Эта «теория» ведет к не менее «поразительному» концу. Примерно через 4 млрд, лет галактики должны разлететься на такие большие расстояния друг от друга, что перестанут быть видимыми одна с другой. «Они закатятся за горизонт наблюдаемости», — говорят сторонники этой «теории». Это и будет концом существования Вселенной.

«Теория непрерывного творения» возникла в Англии в противовес «катастрофической теории». Проповедни­ки «теории непрерывного творения» недовольны «ката­строфической теорией». Эта «теория», как выразился один видный английский астроном, слишком легкомыс­ленна. Согласно ей, Вселенная существует лишь сравни­тельно короткий срок, за который наша Галактика успеет повернуться вокруг своей оси всего 40—50 раз. «Это — Вселенная «однодневка», — говорят английские против­ники «катастрофической теории».

Действительно, «теория непрерывного творения», с этой точки зрения, выглядит более «солидно». В ней де­лается предположение, что Вселенная бесконечна в раз­мерах и существует вечно. Более того, признается, что Вселенная неизменна и что число галактик в единице объема пространства остается постоянным. Но вместе с тем признается, что все галактики разлетаются в разные стороны. Как же обеспечить при таких условиях неизмен­ность Вселенной? Оказывается, очень просто! Для этого достаточно, чтобы раз в 3 млн. лет в каждом кубическом метре пространства образовывался всего-навсего один-единственный атом водорода. Этого вполне достаточно для того, чтобы «новорожденные» атомы собрались вме­сте и образовали новые галактики, которые заполняют пространство, освободившееся из-за «расширения Все­ленной», то есть из-за разбегания галактик. Все как буд­то бы получается очень хорошо. Но вот на вопрос, из чего образуются молодые атомы водорода, авторы этой «теории» английские профессора Бонди и Хойл отвечают: «Из ничего». Да, так-таки из ничего!

А как же, опросит читатель, быть с законом сохране­ния вещества и движения, одного из краеугольных кам­ней современного естествознания? Оказывается — никак! Просто необходимо вмешательство сверхъестественных сил, для которых, как говорится, никакие законы не пи­саны. Эту «теорию» ее авторы сравнивают с фонтаном, в котором разбрасываемая им вода непрерывно пополняет­ся за счет скрытого от глаз водопровода.

Как видим, обе «теории» стоят друг друга и приво­дят к выводу, что природа без вмешательства бога суще­ствовать не может.

Однако некое рациональное зерно в них имеется. Если взять «катастрофическую теорию», то в ней источник всех бед указать не трудно. Все дело в том, что в этой «тео­рии» факты и явления, обнаруженные нами при изучении доступной нам части Вселенной, неправомерно распро­страняются на всю бесконечную Вселенную. Доступная нашему изучению часть Вселенной конечна. Мощность созданных человеком телескопов всегда имела и всегда будет иметь предел дальности наблюдений. В данное время можно считать, что предел досягаемости самых больших телескопов ограничен расстоянием пример­но в 1000 мпс. Это очень большое расстояние, ко­торое свет проходит за 3,26 млрд, лет, но оно конечно. Когда построят еще более мощные телескопы, эта грани­ца отодвинется еще дальше, но будет конечной. По срав­нению же с бесконечной Вселенной всякая ее конечная часть, сколь бы она ни казалась нам большой, всегда бу­дет ничтожно малой.

Распространять же наши знания, добытые при изуче­нии конечной части Вселенной, на всю бесконечную Все­ленную — это все равно, что пытаться узнать течение реки на всей ее длине по результатам ее изучения на протяжении всего лишь нескольких километров. Ученые и инженеры нередко прибегают к экстраполяции, то есть к распространению имеющихся в их распоряжении ре­зультатов на неизученную пока область исследований. Но, во-первых, область экстраполяции должна быть срав­нительно небольшой, недалеко отстоящей от первона­чальных границ исследования. Во-вторых, всякая экстра­поляция связана с известным риском, который приходит­ся иметь в виду при получении научных выводов. Поэто­му экстраполяция в далекие неисследованные области совершенно бессмысленна.

В виде примера вернемся к упомянутой выше реке. Убедившись, например, что река течет по ровной местно­сти и имеет небольшую скорость течения, можно с из­вестным правом предположить, что недалеко от места изучения, выше и ниже по течению реки, общий характер течения реки будет примерно таким же, как и в обследо­ванном месте. Но никому, вероятно, не придет в голову утверждать, что вдоль всего русла реки характер ее те­чения будет оставаться неизменным.

Именно эту ошибку, одни бессознательно, а другие сознательно, совершают некоторые западные ученые по отношению к Вселенной.

Если отказаться от такого распространения наблю­даемого красного смещения на всю Вселенную, то в «тео­рии расширяющейся Вселенной» можно найти кое-что полезное и для материалистической науки.

В самом деле, нам достаточно предположить, что на­блюдаемое нами разбегание галактик — явление ограни­ченное в пространстве и во времени, и все сразу станет на свои места. Мы уже знаем о наличии между галакти­ками мощных сил отталкивания и видели на многих при­мерах, что галактики начинают отталкиваться друг от друга еще в процессе своего зарождения. При этом они получают скорости порядка нескольких сот километров в секунду.

Несколько труднее объяснить закон красного смеще­ния. Но и здесь можно выдвинуть две вполне разумные и обоснованные гипотезы, окончательный выбор одной из которых может быть сделан после измерения лучевых скоростей галактик, значительно более удаленных, чем нам известны до сих пор.

Первая гипотеза совсем простая и была выдвинута, между прочим, английским ученым Милном еще в 30-х годах нашего столетия. Представим себе, что боль­шинство наблюдаемых нами галактик образовалось примерно в одно время из одного и того же облака ма­терии, диаметром в один или несколько мегапарсеков. При своем формировании все они получили скорости в результате действия уже известных нам сил отталкива­ния. Однако скорости эти были неодинаковы: у одних — больше, у других — меньше. Но тогда ясно, что галакти­ки, имеющие большие скорости, будут обгонять галак­тики, обладающие меньшими скоростями. По истечении некоторого времени все галактики, в каком бы направле­нии они первоначально ни двигались, вылетят за пределы первоначального объема, в котором они сформировались, и затем будут продолжать удаляться от него. Неслож­ный расчет показывает, что, чем больше скорость галак­тик, тем на большее расстояние они удалятся за одинако­вый промежуток времени. Иначе говоря, удаление галактик от первоначального объема будет пропорционально их скорости, то есть в полном соответствии с наблюдае­мым законом красного смещения.

Другая гипотеза основана на применении к Вселен­ной общей теории относительности А. Эйнштейна (1879— 1955), согласно которой геометрические свойства про­странства зависят от распределения в нем различных по величине масс материи. Тогда тело, имевшее вначале определенную скорость, будет в дальнейшем двигаться различным образом, в зависимости от геометрических свойств пространства. Еще в 1917 г. голландский ученый Ситтер показал, что можно теоретически построить такую «модель» Вселенной, в которой галактики будут разбе­гаться со скоростями, пропорциональными расстоянию.

Что касается выбора между двумя гипотезами, то он может быть сделан на основе изучения скоростей очень далеких галактик. В самом деле, в первом случае (иссле­дованном Милном) число галактик с очень большими скоростями должно убывать, так как отталкивательные силы между галактиками не могут быть бесконечно боль­шими. Во втором же случае (теория Эйнштейна) этого не будет, так как скорость галактик должна будет опреде­ляться не начальной скоростью, а геометрическими свой­ствами пространства.

Но имеется еще и третий путь, коренным образом отличающийся от первых двух. Можно предположить, что красное смещение в спектрах галактик вызывается не их разбеганием, а есть результат своеобразного «старения» света. Как известно из современной физики, свет распро­страняется порциями, называемыми световыми кванта­ми, или фотонами. Каждый фотон обладает вполне опре­деленной энергией, от величины которой зависит длина световой волны и, следовательно, ощущение цвета. При малой энергии квантов цвет света — красный, а при боль­шой энергии — фиолетовый. В промежуточных случаях и цвет света промежуточный между красным и фиолетовым (желтый, зеленый, синий).

Но отсюда следует вывод, что если бы фотоны света при своем движении в мировом пространстве, от далеких галактик до нас, каким-нибудь образом теряли свою энергию, то мы должны были бы наблюдать в спектрах галактик такое же красное смещение, как и при разбега­нии галактик. Впервые гипотезу о старении света выдви­нул еще в 1930 г. видный советский астроном академик А. А. Белопольский (1854—1934). В пользу гипотезы ста­рения света говорит, между прочим, то, что вследствие однородности Вселенной старение фотонов должно быть пропорциональным расстоянию.

В физике теоретически разработаны явления столкно­вений квантов света с микрочастицами, при которых кванты света полностью или частично теряют свою энер­гию. Известно, что эти явления в лабораторных условиях наблюдать пока не удается — они происходят слишком редко. Для того чтобы квант света столкнулся с микро­частицей, он должен пролететь очень большое расстоя­ние. Но в условиях мирового пространства, когда фотоны летят к нам сотни миллионов лет, подобные столкновения не только возможны, но и обязательны.

К сожалению, эта гипотеза наталкивается на следую­щую трудность. Теоретические исследования показывают, что при всяком столкновении с микрочастицами световой квант теряет не только энергию, но меняет также направ­ление своего движения, что должно привести к размыва­нию фотографических изображений галактик. В действи­тельности же этого не наблюдается и все галактики, не­зависимо от расстояний, получаются на фотографиях всегда четко.

Но мы не можем ручаться, что сегодня знаем все за­коны взаимодействия фотонов с другими формами мате­рии, например с мощными электромагнитными полями или с полями квантов света. Тогда получается очень за­манчивая картина: кванты света «стареют», то есть те­ряют часть своей энергии, и никакого «размывания» изо­бражений галактик при этом не происходит. Но энергия, отданная квантами, не пропадает бесследно, она лишь переходит в какой-то другой, быть может, нам пока неиз­вестный вид энергии. За счет этой энергии во Вселенной образуются микрочастицы материи, из которых в свою очередь образуются атомы водорода — кирпичи мирозда­ния. Ведь до сих пор мы наблюдаем лишь процессы излу­чения, когда за счет массы вещества образуется свет, за счет энергии микрочастиц образуется энергия фотонов. Все звезды и галактики существуют и излучают свет, по­добно расточительным наследникам, за счет энергии, сконцентрированной в веществе когда-то давно, при ус­ловиях, сильно отличающихся от современных. Этот за­пас энергии не возобновляется в звездах, а навсегда уле­тает от них и теряется в бездонных глубинах мирового пространства.

Если бы удалось доказать возможность обратного превращения энергии фотонов в энергию частиц веще­ства, то тем самым был бы найден закономерный кру­гооборот энергии, и атомы водорода возникали бы, как в теории «непрерывного творения», но только без вмеша­тельства сверхъестественных сил!